第三章-生物圈中的生命系统幻灯片

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1、第三章 生物圈中的生命系统,环境生态学导论（第二版） 盛连喜主编,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,目 录,第一节,第一节 生命系统的层次性,生物圈中生命系统的层次划分,地球上的生命系统具有层次性，相应的，生态学的研究也划分为层次不同的宏观生态学、微生态学和分子生态学等。,一、分子,生态学研究的分子是指生物活性分子。 在生命体内，只要是生命体的组成成分，并在生命活动中起着一定作用的分子，就是生物活性分子，包括DNA、蛋白酶类、RNA、激素等。有些分子生态学家认为，H2O、Ca2等也是与生命活动有关的生命活性分子，从而扩大了分子生态学的研究领域。,二、基因,基因是所有生物表现生命活动的基本结

2、构，也是所有生物用来维持其种属遗传性的关键。 一切生物的所有遗传信息都存在于组成基因或基因组的核苷酸序列，即核酸中。,三、细胞,细胞是构成生物体的基本单位。有机体除了少数类型（病毒等）外，都是由细胞构成的。 单细胞有机体的个体就是一个细胞，一切生命活动都是由这个细胞来承担；多细胞有机体是由许多形态和功能不同的细胞组成。,四、组织与器官,细胞分化导致组织的形成，人们把在个体发育中具有相同来源的（即由同一个或同一群分生细胞生长、分化而来的）同一类型，或不同类型的细胞群组成的结构和功能单位，称为组织（tissue）。 组织是具有功能分工的细胞集合体，不同的相互联系的组织构成了器官。 高等生物个体是由

3、各种组织和器官组成的。,五、个体,一般情况下，生物是以个体的形式存在。有生命的个体具有新陈代谢、生长发育、自我复制和繁殖、遗传变异、感应性和适应性等生命现象。 个体是种群（population）的基本组成单位，正是生物的多样性才保持了全球生态系统的稳定。,六、种群,种群是指在一定空间中生活、相互影响、彼此能交配繁殖的同种个体的集合。 种群生态学是研究种群的数量、分布以及与其栖息环境中的非生物因素和其他生物种群（例如，捕食者与猎物、寄生物和宿主等）相互作用的科学。,七、生物群落,群落（community）是不同种群的集合体。一个自然的生物群落，就是在一定地域或生境中各种生物种群的集合。 群落内的

4、各种生物由于彼此间的相互影响、紧密联系和对环境的共同反应，而使群落构成一个具有内在联系和相互作用规律的有机整体。 群落生态学的研究，可以从植物群落、动物群落和微生物群落或种间关系、协同进化等不同的角度开展。,第二节,一、种群概念及其基本特征,（一）种群概念 一般认为，种群是物种在自然界中存在的基本单位。在生物七级分类学中，界、门、纲、目、科、属等分类单元是学者按物种的特征及其在进化中的亲缘关系来划分的，唯有种才是真实存在的。因此，从进化论的观点看，种群是一个演化单位。 从生态学观点看，种群又是生物群落的基本组成单位。,一、种群概念及其基本特征,（二）基本特征 1.数量特征（密度或大小） 2.空

5、间分布特征 3.遗传特征,种群的三种内分布型或格局 均匀分布 随机分布 聚群分布,二、种群的增长及其数量变动,（一） 种群的群体特征 种群密度 初级种群参数 出生率（natality） 死亡率（mortality） 迁入率（immigration rate） 迁出率（emigration rate） 次级种群参数 性比（sex ratio） 年龄分布（age distribution） 种群增长率等,（一） 种群的群体特征,1.种群密度 密度通常表示单位面积（或空间）上的个体数目，但也有用每片叶子、每个植株、每个宿主为单位的。,除采用单位面积（或空间）上的个体数目来表示种群密度外，也有因生物的

6、特征不同而采用的其他表示方法。,（一） 种群的群体特征,2.种群结构和性比 （1）种群结构 种群的年龄结构是指不同年龄组的个体在种群内的比例和配置情况。研究种群的年龄结构和性别比例对深入分析种群动态和进行预测预报具有重要价值。 种群的年龄结构通常用年龄锥体图表示，按锥体形状，年龄锥体可划分为三个基本类型： 增长型种群、稳定型种群、下降型种群,（一） 种群的群体特征,2.种群结构和性比 （2）性比 第一性比： 性比是种群中雄性个体和雌性个体的数目比例，称第一性比； 第二性比： 幼体成长到性成熟阶段，由于各种原因，雄性与雌性比持续变化，到个体成熟为止，雄性与雌性的比例叫第二性比； 第三性比： 个体

7、成熟后的性比，叫第三性比。 性比对种群的配偶关系及繁殖潜力有很大影响。在野生种群中，性比的变化会引发配偶关系及交配行为的变化，这是种群自然调节的方式之一。,（一） 种群的群体特征,3.生命表 系统描述同期出生的一生物种群在各发育阶段存活过程的一览表,是研究种群动态的一种有用的工具。 动态生命表 根据对同年出生的所有个体进行存活数动态监察资料编制而成。这类生命表称为同生群生命表 静态生命表 根据某一特定时间，对种群作一个年龄结构的调查，并根据其结构而编制成的生命表。 综合生命表 综合生命表与简单生命表不同之处在于增加了描述各年龄组出生率的列。,（一） 种群的群体特征,存活曲线,型：曲线凸型，表示

8、在接近生理寿命前只有少数个体死亡。 型：曲线呈对角线，各年龄死亡率相等。 型：曲线凹型，幼年期死亡率很高。,存活曲线的类型（Kreb,1985）,（一） 种群的群体特征,种群增长率（r） 自然界的环境条件是不断变化的，当条件有利时，r 值可能是正值，条件不利时可能变为负值。从上式看，r 值是随R0的增大而增大，随T 值增大而变小。 例如，计划生育的目的是要使r 值变小，据此式可有两条途径： 降低R0值，即让世代增殖率降低，这就要限制每对夫妇的生育数； 使T值增大，即可以通过推迟首次生殖时间或晚婚来实现。,（一） 种群的群体特征,4.K-因子分析 根据观察连续几年的生命表系列，可以看出在哪一时期

9、的死亡率对种群数量的影响最大。 找出对总的死亡效率（ktotal）的影响最大的某个关键因子（key factor），这一方法称为K-因子分析（K-factor analysis）。,K-因子分析是判定影响种群总死亡效率最关键因子的一种方法。,1.与密度无关的种群增长模型 种群离散增长模型,（二） 种群增长模型,式中：N 种群大小 t 时间 种群的周限增长率,或,（二） 种群增长模型,1.与密度无关的种群增长模型 种群连续增长模型 在世代重叠的情况下，种群以连续方式变化。把种群变化率dNdt与任何时间的种群大小联系起来，单位时间内种群的变化率，即： 式中：e自然对数的底,其积分式为：,若对种群大

10、小Nt对时间t作图，种群增长曲线呈“J”字型。 以lgNt对t作图，则变为直线。,（二） 种群增长模型,2.与密度有关的种群增长模型,采用不同方式培养酵母细胞时酵母实验种群的增长曲线,（二） 种群增长模型,2.与密度有关的种群增长模型 逻辑斯谛方程 比无密度效应模型增加两点假设： 存在环境容纳量（K），当t=K时，种群为零增长，即dNdt=0； 增长率随密度上升而按比例降低变化。,式中a参数，其值取决于N0，表示曲线对原点的相对位置。,其积分式为：,（二） 种群增长模型,2.与密度有关的种群增长模型 逻辑斯谛曲线变化可分为五个时期：开始期、加速期、转折期、减速期和饱和期。,开始期，也称潜伏期，

11、由于种群个体数很少，密度增长缓慢； 加速期，随个体数增加，密度增长逐渐加快； 转折期，当个体数达到饱和密度一半（即K/2时），密度增长最快； 减速期，个体数超过K/2以后，密度增长逐渐变慢； 饱和期，种群个体数达到K值而饱和。,（二） 种群增长模型,2.与密度有关的种群增长模型,它是两个相互作用种群增长模型的基础； 它也是渔捞、林业、农业等实践领域中，确定最大持续产量的主要模型； 模型中两个参数r、K，已成为生物进化对策理论中的重要概念。,逻辑斯特方程的重要意义：,（三） 种群的数量变动,种群数量的波动依据是否为周期性变化，分为不规则波动和周期性波动。 1.不规则波动 环境的随机变化很容易造成

12、种群不可预测的波动,Wisconsin绿湾中藻类数量随环境的年变化（Mackenzie，etal，1998）,藻类种群波动，主要是温度变化以及由其带来的营养物获得性的变化而造成的,小型的短寿命生物,19131961 年东亚飞蝗洪泽湖蝗区的种群动态曲线（马世骏，丁宕钦，1965）,（三） 种群的数量变动,2.周期性波动 是指种群数量变动随时间呈现出有规律的、周而复始的波动现象,这种数量波动的特点与种群自身的遗传特性有关。,北美的美洲兔与加拿大猞猁90年间数量周期（Bush，1997）,北方的啮齿动物旅鼠、姬鼠、田鼠，以及北极狐和雪鸽等,（三） 种群的数量变动,3.季节波动 季节波动（消长）是指种

13、群数量在一年四季中的变化规律。了解动物的季节性波动规律是控制其危害的生态学基础。,北点地梅8年间的种群数量变动（Begon，1986）,（三） 种群的数量变动,4.种群的暴发 可发生在种群数量的不规则或周期波动内，常见为害虫、害鼠的暴发，以及赤潮现象。,赤潮,蓝藻爆发（滇池）,（三） 种群的数量变动,5.生态入侵 某种外来生物进入新分布区成功定居，并得到迅速扩展蔓延的现象，称为生态入侵（ecological invasion）,泛滥的水葫芦,互花米草,（三） 种群的数量变动,6.种群的衰落和灭亡 当种群长久处于不利条件下（人类过度捕猎或栖息地破坏），其数量会出现持久性下降，即种群衰落甚至灭亡。

14、,南半球鲸捕获量的变化（Mackenzie，etal，1998）,三、种群调节理论,（一） 外源性种群调节理论 1.气候学派 气候学派多以昆虫为研究对象，他们认为，种群参数受天气条件强烈影响，强调种群数量的变动，否定稳定性。 2.生物学派 生物学派主张捕食、寄生、竞争等生物学过程对种群调节起决定作用。认为只有密度制约因子才能调节种群的密度。 3.食物因素 强调食物因素的学者也可归入生物学派。 营养物恢复假说。,三、种群调节理论,营养物恢复学说图解（Price，1975）,旅鼠,三、种群调节理论,（二） 内源性自动调节假说 自动调节假说认为，种群调节是动物种群内部物种的一种适应性反应，包括行为调

15、节、内分泌调节和遗传调节。,第三节,一、种内关系,（一） 集群 同一种生物的不同个体，或多或少都会在一定的时期内生活在一起，从而保证种群的生存和正常繁殖。集群现象普遍存在于自然种群之中,是种群的一种适应性特征。 临时性集群 永久性集群,鸿雁,蜂,蚁,一、种内关系,（一） 集群 集群的原因 栖息地的食物、光照、温度、水等环境因子的共同需要 对昼夜天气或季节气候的共同反应 繁殖的结果 被动运送的结果 由于个体之间社会吸引力相互吸引的结果。,蜗牛,蝙蝠,蝴蝶的卵,一、种内关系,（一） 集群 集群的生态学意义:,在一定的密度下，群体密度的增加能够有利于群体的生存和增长。但是随着个体数的增加，密度过高、

16、繁殖过剩时产生有害的拥挤效应。,一、种内关系,（一） 集群 阿利规律 在一定的条件下，当种群密度（数量）处于适度的情况时，种群的增长最快，密度太低或太高都会对种群的增长起限制作用，这被称为阿利规律（Alices principle）。 繁殖适度 种群的适度密度在生态学上也称为繁殖适度。,只有满足“最小种群原则”才能产生集群效应。,一、种内关系,（一） 集群,A某些物种的种群数量较小时，存活率最高；B存活率在中等密度大小时最高.,种群密度与存活率的相互关系,一、种内关系,（二） 种内竞争 同种或不同种生物因争夺食物、空间等资源而发生的负面影响被称为竞争。 某一种生物的资源是指对其有益的任何客观实体，包括栖息地、食物、配偶，以光、温度、水等各种环境因子。 竞争的主要方式有两类： 资源利用性竞争（间接竞争） 相互干涉性竞争（直接竞争） 种内竞争和种间竞争的共同点是竞争效应的不对称性，且都受密度制约。,二、种间关系,（一） 种间竞争 1.高斯假说 两个物种的生态习性越相似，种间的竞争就越激烈。,两种草履虫单独和混合培养时的种群动态（引自李博等，1993）,二、种间关系,（一